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식물이나 동물이나 외부 침입자를 막는 내생 면역계는 비슷한 원리가 적용되는 것으로 밝혀졌다.

독일 쾰른대와 막스플랑크 식물육종연구소(MPIPZ)팀은 처음으로 비활성 식물 면역수용체를 활성화시키고 그에 따라 숙주세포의 사멸을 매개하는 일련의 분자 작업 과정을 재구성하는데 성공했다.

이번 발견은 핵심적인 식물 면역 분자들이 어떻게 숙주세포를 감염으로부터 보호하는지를 이해하는데 매우 중요한 연구로 보고 있다.

활성화된 단백질이 채택한 설정(configuration)은 다른 식물이나 인간을 포함한 포유류 수용체의 설정과 유사한 것으로 확인됐다. 이는 이들 수용체들이 서로 다른 생명체 영역에서도 공통적인 구조 원리에 기반해 세포 내 면역 신호와 세포 사멸을 촉발하고 있다는 사실을 시사하는 것이다.

이번 연구는 과학 저널 ‘사이언스(Science)’ 4일 자에 발표됐다.
 




동식물, 유사한 면역 전략 개발

식물과 동물은 수백만 년 전 진화에서 분리됐으나 미생물 감염으로부터 스스로를 보호하기 위해 독립적으로 유사한 면역 전략을 개발했다.

동식물 모두 병원체 공격에 대비해 세포 안에 NLR 단백질(nucleotide-binding/leucine-rich repeat proteins)이라는 면역 수용체(immune receptors)가 중요한 방어층을 형성하고 있다.

NLR은 여러 모듈로 구성된 복잡한 장치로, 침입하는 미생물의 병원성 분자(effectors)를 인식한다. 이펙터가 식물의 면역 반응을 촉발하면 수용체와 저항성 및 세포 사멸 경로가 활성화돼 감염을 억제하는 것이다.

식물의 NLR은 구조와 신호 특성에 따라 CNL 단백질의 CC(coiled-coiled) 모듈과, TNL 단백질의 TIR(toll/interleukin-1 receptor/resistance) 모듈 등 두 개의 주요 부류로 나뉜다.
 




애기장대의 곰팡이 감염 방어

연구팀은 실험에 많이 쓰이는 애기장대를 모델로 이번 연구를 수행했다.

논문 공동 시니어 저자인 쾰른대 지지에 차이(Jijie Chai) 교수는 다른 두 시니어 저자인 MPIPZ 연구그룹 제인 파커(Jane Parker) 박사와 MPIPZ 파울 슐츠-리퍼트(Paul Schulze-Lefert) 소장과 함께 특정 수용체의 활성화를 뒷받침하는 구조적 및 생화학적 특징을 확인해 내는 성과를 올렸다.

RPP1(Peronospora parasitica 1)의 이른바 TNL 유형 NLR 수용체가 그것으로, 이 수용체는 곰팡이(Hpa)로부터 애기장대를 보호한다.

연구팀은 RPP1이 어떻게 분자 수준에서 애기장대를 곰팡이 감염으로부터 보호하는지를 알아내기 위해, 알려져 있는 곰팡이 이펙터인 ATR1과 함께 RPP1 단백질을 생성했다.

이 방식으로 활성화된 RPP1 수용체는 방어 신호 전달에 중요한 NAD+ 보조인자를 분해하는 효소 역할을 했다.
 




두 가지 의문에 대한 해답 제시

연구팀은 RPP1-ATR1 복합체를 분리해 저온 전자현미경(cryo) 검사를 실시한 결과, NLR 생물학과 관련한 두 가지 문제에 대한 답을 제시할 수 있었다.

하나는 NLR 수용체에 대한 이펙터의 직접 결합이 어떻게 수용체의 활성화를 유도하느냐는 점이고, 두 번째는 이 경우에 TNL 수용체가 네 개의 단단히 묶여진 수용체 분자로 구성된 이른바 사량체(tetramer)로 스스로를 조직화한다는 점이다.

사량체는 모두가 구조적으로 동일한 단위로 구성된 올리고머 분자 그룹에 속한다. 관찰된 사량체는 수용체 일부 안에서 독특한 표면을 생성했다. 이 표면은 방어 신호를 촉발하기 위해 NAD+ 분열에 필요했다.

ATR1 이펙터는 RPP1의 한쪽 끝에서 사량체화를 유도하고 동시에 반대편 끝에 있는, 앞에서 언급된 네 개의 TIR 모듈이 NAD+를 분해하는 두 개의 비대칭 TIR 쌍을 형성하도록 강제했다.
 




공통적인 구조 원리에 기반

놀랍게도 미국 캘리포니아(버클리)대의 에바 노갈레스(Eva Nogales) 및 브라이언 스타스카위츠(Brian Staskawicz) 교수팀이 담배의 가까운 친척인 니코티아나 벤사미아나(Nicotiana benthamiana)를 대상으로 또 다른 TNL 유형 NLR인 Roq1에 대해 연구한 결과도 TNL 활성화가 직접 이펙터를 인식해 유사한 사량체 구조를 채택한다는 사실을 보여주었다.

Roq1이 인식한 이펙터는 박테리아 병원체에 의해 생성되고, 이 이펙터로 인해 활성화된 Roq1 수용체 복합체는 박테리아 감염에 대한 내성을 나타냈다.

따라서 차이 교수팀과 MPIPZ 연구팀의 발견은 이런 핵심적인 식물 면역 분자들이 어떻게 숙주를 감염으로부터 보호하는가를 이해하는데 매우 중요한 것으로 여겨진다.

좀 더 일반적으로 보면, 활성 RPP1과 Roq1이 채택한 올리고머 설정은 인간의 타고난 면역 수용체를 포함해 다른 식물과 포유류가 지닌 NLR 수용체 단백질의 유도된 올리고머 스캐폴드와 유사하다.

이것은 이런 수용체들이 서로 다른 생물계에서 공통적인 구조 원리에 기반을 두고 세포 내 면역 신호와 세포 사멸을 촉발한다는 사실을 시사하는 것이다.

 

김병희 객원기자  저작권자 2020.12.09 ⓒ ScienceTimes (원문출처)